高溫對富有機質頁巖巖石物理特性的影響

2019-12-19 06:37:46林海宇劉向君梁利喜李賢勝

石油實驗地質 2019年6期

熊健，林海宇，劉向君，梁利喜，黃宏，李賢勝

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，成都 610500；2.中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶 400021)

隨著我國油氣消費快速增長，天然氣對外依存度快速攀升，截至2018年底，天然氣對外依存度高達45.3%[1]，這將不利于我國能源安全保障體系的構建，且環(huán)保因素也將推動我國天然氣需求量進一步增加。2015年，美國能源信息署(EIA)發(fā)布了包含美國在內的46個國家的頁巖氣資源評價成果報告[2]，指出全球頁巖氣的技術可采資源量為214.49×1012m3，其中，中國頁巖氣的技術可采資源量為31.57×1012m3，這些數(shù)據(jù)顯示了我國頁巖氣資源開發(fā)潛力巨大。頁巖氣賦存形式主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，且在原始狀態(tài)下，頁巖中氣體處于吸附態(tài)和游離態(tài)的動平衡狀態(tài)?，F(xiàn)有頁巖氣藏開采經驗表明，頁巖氣井開采初期產量主要依賴于頁巖中游離氣，而后期氣井產量主要依賴于頁巖中吸附氣，產量遞減快慢主要受控于頁巖中吸附氣的解吸作用[3]。因此，在頁巖氣開采過程中，促進頁巖中吸附氣的解吸將提高頁巖氣井產量，縮短頁巖氣井開采周期。目前，除了利用水力壓裂技術改善頁巖氣井井周地層區(qū)域的滲流條件從而加快頁巖氣解吸外，李武廣等[4-6]研究表明隨著溫度升高，頁巖氣解吸速率加快；邢亞繁等[7-8]提出了利用電加熱激勵方法促進頁巖氣解吸；游利軍等[8]提出利用頁巖氣層氧化爆裂方式加快頁巖氣開采，說明了增加儲層溫度也是加快頁巖氣解吸的方法之一。

你看，愛運動的夫妻，眼明手快地打羽毛球，笑容蕩漾在臉上；淘氣的小朋友們，踩著滑板車的，穿著溜冰鞋的，身輕如燕地貼著地面在人群中飛來飛去；熟人朋友一起，拉家常憶往事，互相分享從各種渠道獲知的新聞事件，大家相談甚歡。走累的人們坐在茵茵的草坪里休憩，有的在認真觀看LED顯示屏播報的影片，有的邊走邊仰望星空，而清朗的夜空也絕不會讓人們失望，趁著好心情給觀眾上演了一場璀璨而夢幻的繁星聚會。路旁昏黃的燈光拉長了行人的身影，地面的流光溢彩與夜空中的皎月群星相互輝映，給團場的秋夜平添了幾分朦朧和詩意，放眼望去，廣場像一幅光彩斑斕的畫。

目前，溫度對巖石物理性質的影響研究較多，并取得了一定的認識。劉均榮等[10-12]研究了溫度對巖石微觀結構的影響，結果表明高溫將改變巖石的孔隙結構，并造成巖石中出現(xiàn)微裂縫；劉均榮等[13-17]研究了溫度對砂巖、泥巖、碳酸鹽巖等不同巖性巖石的物理性質影響，包括孔隙度、滲透率、波速等，研究結果表明隨著溫度的增加，不同巖性的巖石孔隙度、滲透率等呈增大的趨勢，而波速呈下降的趨勢；王鵬等[17-20]研究了溫度對砂巖、灰?guī)r、花崗巖等不同巖性巖石的力學性質影響，研究結果表明不同巖性的單軸抗壓強度隨著溫度增加總體呈下降趨勢，這主要是與高溫造成巖石熱損傷有關，這些研究結果有助于人們認識高溫處理后不同巖性巖石物理性質的變化規(guī)律。盧運虎等[21]研究溫度變化對富有機質頁巖巖石微觀結構的影響，進而討論了其對頁巖各向異性的影響。然而，溫度對富有機質頁巖巖石的孔隙度、滲透率、聲波、力學等物理特性的影響并未進行系統(tǒng)研究，還缺乏足夠認識。

因此，本文以四川盆地龍馬溪組富有機質頁巖為研究對象，研究了高溫處理后頁巖巖石物性的變化規(guī)律，包括巖石質量、孔隙度、滲透率、聲波速度、聲波衰減系數(shù)等，同時也研究高溫對頁巖巖石力學特性的影響。

1 實驗樣品與方法

實驗頁巖樣品采自四川南部地區(qū)古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組。龍馬溪組屬海相沉積環(huán)境，下部為黑色頁巖，上部為灰色、黃綠色泥質或粉砂質頁巖，與下伏觀音橋組呈整合接觸[22]。龍馬溪組下部黑色頁巖具有較高有機質豐度，作者前期研究成果顯示石英含量分布在43.46%～62.66%，碳酸鹽礦物含量分布在22.40%～39.59%，黏土礦物含量分布在11.10%～18.79%，其中黏土礦物主要以伊利石和高嶺石為主；巖樣的有機碳含量(TOC)為3.44%～4.53%，平均為4.12%。按照要求制取平行層理方向和垂直層理方向的試樣，試樣規(guī)格為φ25 mm×50 mm的圓柱體。對試樣先進行24 h的低溫(40 ℃)烘干處理，然后進行質量、孔隙度、滲透率、聲波和力學等測試，獲取相關參數(shù)。在此基礎上，本次實驗中對頁巖巖樣依次進行100，200，300，400，500，600 ℃等高溫處理。以20 ℃/min的速度加熱到預設溫度后，恒溫6 h，然后在爐膛中自然冷卻至室溫，再重復進行質量、孔隙度、滲透率、聲波和力學等測試。不同溫度作用后頁巖樣品的表觀形態(tài)如圖1所示。從圖1中可看出，隨著溫度的升高，頁巖巖樣逐漸由黑色變?yōu)榛野咨?，其中?0～200 ℃內，頁巖巖樣的顏色隨著溫度升高變化不明顯；300 ℃時，頁巖巖樣由黑色變?yōu)榱嘶液谏?，這可能與頁巖中有機質燃燒造成有機碳含量減小有關；300～600 ℃內，頁巖巖樣的顏色隨著溫度升高由灰黑色逐漸變?yōu)榛野咨?，巖石表面上紋層更明顯。這說明高溫作用使富有機質頁巖的各組分發(fā)生了較復雜的物理化學變化。

頁巖樣品經高溫處理后，其質量的變化規(guī)律如圖2所示。4組頁巖樣品質量隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的質量先緩慢下降后快速下降，其中在400 ℃之前，頁巖樣品質量下降緩慢，經過400 ℃高溫處理后，頁巖樣品的質量減小不超過1%，而在溫度400 ℃之后，頁巖樣品的質量下降速度明顯增大，經過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的質量減小約4%。在溫度400 ℃之前，頁巖中礦物吸附水和層間水將會脫出，且部分有機質也會發(fā)生熱解反應，造成頁巖質量減少，但下降幅度??；而溫度400 ℃之后，頁巖中部分礦物晶格中結構水將脫出，且有機質發(fā)生熱解反應，同時在這個溫度階段，部分礦物晶型轉變、熔融，甚至使部分礦物成分消失，綜合作用造成頁巖巖石質量減少，且下降幅度大。

2 實驗結果

2.1 頁巖巖樣質量的變化

實驗頁巖樣品的基本特性如表1所示，表中1-a，1-b，2-a，2-b等樣品經高溫重復處理后，分別對每個樣品重復進行巖石物理特性參數(shù)測量，研究溫度對頁巖巖石物理特性的影響；而表中1-c、1-d、1-e、1-f等樣品經高溫處理后，分別對每個樣品進行力學實驗，研究溫度對頁巖巖石力學特性的影響。

圖1 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖樣品的表觀顏色

表1 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組低溫烘干后頁巖樣品的基本特性

圖2 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣質量變化率

2.2 頁巖巖樣孔滲的變化

從目前的教學實踐來看，不少任課教師無法全面實現(xiàn)上述培養(yǎng)目標，存在一些亟待解決的細節(jié)問題，主要集中在以下五個方面：

圖3 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣物性變化率

2.3 頁巖巖樣聲波速度的變化

頁巖樣品經高溫處理后，其縱波、橫波速度的變化規(guī)律如圖4所示。4組頁巖樣品縱波、橫波速度隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的縱波、橫波速度呈降低趨勢。經過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的縱波、橫波速度下降了20%～30%，該研究結論與吳曉東等[14-16]的研究結果具有相似性。這些研究說明了經過高溫處理后，巖石的縱波、橫波速度都呈下降趨勢，這可能是因為高溫作用后，巖石內部發(fā)生熱損傷，巖石內部孔隙結構發(fā)生變化，孔隙和微裂縫增加，造成聲波在巖石中傳播的距離增大，從而導致巖石聲波速度降低。

圖4 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣縱橫波速度變化率

頁巖樣品經高溫處理后，其縱波、橫波衰減系數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。4組頁巖樣品縱波、橫波衰減系數(shù)隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的縱波、橫波衰減系數(shù)呈增大趨勢。經過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的縱波、橫波衰減系數(shù)增加了4～6倍，這可能是因為高溫作用后，巖石內部發(fā)生熱損傷，巖石內部孔隙結構發(fā)生變化，孔隙和微裂縫增多，造成聲波在巖石中傳播過程中損耗增大或能量損失增大，從而導致巖石聲波衰減系數(shù)增大。

2.4 頁巖巖樣力學特性的變化

何東腦子里馬上出現(xiàn)幼兒園，小學，中學，大學，孩子的婚禮，然后是他要進的八寶山。這都著的是哪門子急呵，進個八寶山還比賽？

頁巖樣品經高溫處理后，其單軸壓縮應力—軸向應變曲線如圖6所示，強度參數(shù)如表2所示。從圖6和表2中可看出，不同溫度作用后，頁巖樣品的應力—應變曲線存在較大差異。隨著溫度升高，曲線峰值應力點下移，即隨著溫度增加，頁巖樣品的單軸抗壓強度降低，彈性模量下降，泊松比變化規(guī)律不明顯。這可能是高溫作用后，巖石內部發(fā)生熱損傷，微裂縫增多，造成頁巖樣品易發(fā)生破壞，從而導致頁巖樣品的力學強度降低。頁巖樣品經過溫度600 ℃處理后，單軸抗壓強度降幅達39%(圖7)，該結論與王鵬等[17-19]的研究結果具有相似性。研究表明不同巖性巖石單軸抗壓強度隨著溫度增大總體呈下降趨勢，但下降幅度不一樣，這可能與高溫作用后不同巖性巖石熱損傷的程度不一樣有關。

頁巖樣品經高溫處理后，其孔隙度和滲透率的變化規(guī)律如圖3所示。4組頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的孔隙度和滲透率先緩慢上升、后快速上升，經過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的孔隙度增加了4～5倍，滲透率增加了80～100倍，這可能是因為高溫作用后，頁巖中有機質的熱解反應和孔隙或礦物中水分被蒸發(fā)，造成巖石中孔隙體積增大和滲流通道增多，從而導致巖石孔隙度和滲透率增大，同時頁巖內部的熱應力超過巖石顆粒之間的抗張應力屈服強度，巖石骨架顆粒間發(fā)生位錯，內部結構發(fā)生破壞，造成巖石中產生一些微小裂縫，從而導致巖石孔隙度和滲透率增大。從圖3中還可見頁巖樣品孔隙度和滲透率的變化存在一個突變過程，該過程中存在一個閾值溫度范圍，即當溫度小于閥值溫度時，頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度增加而上升的幅度較小，而當溫度超過閥值溫度時，頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度增加而明顯上升。上述結論與吳曉東等[14，16]的研究結果具有相似性。本次實驗中龍馬溪組富有機質頁巖的閾值溫度范圍在300～400 ℃，頁巖樣品的表觀顏色和質量也在該閾值范圍發(fā)生突變，而吳曉東等[14]研究結果顯示，灰?guī)r、粉砂巖和礫巖的閾值溫度范圍分別為500～600，500～600，400～500 ℃，游利軍等[16]認為致密砂巖、泥巖和致密碳酸鹽巖的閾值溫度范圍分別為300～500，500～600，300～400 ℃。這些研究說明了不同巖性巖石的閾值溫度范圍存在差異，這可能與不同巖性巖石中礦物組成類型有關。頁巖儲層溫度增加，將加快頁巖氣的解吸速率[4-6]，同時在升溫的過程中，頁巖巖石物性的改善，加快了頁巖中氣體的流動，孔隙壓力下降速率增加，進一步促進了頁巖氣的解吸，這也有利于頁巖氣的開采。